光刻機、操作系統、晶元、PA……中國亟待攻克的35項關鍵技術

此前，科技日報社主辦的「是什麼卡了我們的脖子，亟待攻克的核心技術」科學傳播沙龍上， 科技日報總編劉亞東做了一個題為「除了那些核心技術，我們還缺什麼「的演講，演講不到20分鐘，但卻傳播深遠。以下是小編總結整理的中國亟待攻克的35項關鍵技術。

 

 

01光刻機

 

製造晶元的光刻機，其精度決定了晶元性能的上限。在「十二五」科技成就展覽上，中國生產的最好的光刻機，加工精度是90納米。這相當於2004年上市的奔騰四CPU的水準。而國外已經做到了十幾納米。

 

光刻機里有兩個同步運動的工件台，一個載底片，一個載膠片。兩者需始終同步，誤差在2納米以下。兩個工作台由靜到動，加速度跟導彈發射差不多。在工作時，相當於兩架大飛機從起飛到降落，始終齊頭並進一架飛機上伸出一把刀，在另一架飛機的米粒上刻字，不能刻壞了。

 

02晶元

 

低速的光晶元和電晶元已實現國產，但高速的仍全部依賴進口。國外最先進晶元量產精度為10納米，我國只有28納米，差距兩代。據報道，在計算機系統、通用電子系統、通信設備、內存設備和顯示及視頻系統中的多個領域中，我國國產晶元佔有率為0。

 

03操作系統

 

普通人看到中國IT業繁榮，認為技術差距不大，實則不然。3家美國公司壟斷手機和個人電腦的操作系統。數據顯示，2017年安卓系統市場佔有率達85.9%，蘋果IOS為14%。其他系統僅有0.1%。這0.1%，基本也是美國的微軟的Windows和黑莓。沒有谷歌鋪路，智能手機不會如此普及，而中國手機廠商免費利用安卓的代價，就是隨時可能被「斷糧」。

 

04航空發動機短艙

 

 

飛機上安放發動機的艙室，俗稱「房子」，是航空推進系統最重要的核心部件之一，其成本約佔全部發動機的1/4左右。短艙需要將發動機包覆，減少飛行阻力；其進氣道還要具有防、除冰的能力；飛行中，要保護髮動機不受干擾正常工作；在地面，需要做到方便發動機的維護和維修，一旦短艙有損，飛行中可能會引起發動機嚴重事故。短艙越大技術難度越高。我國在這一重要領域尚屬空白。查閱所有公開資料，我國尚無自主研製短艙的專門機構，相關院校似乎也沒有設置相關的學科。

 

05觸覺感測器

 

觸覺感測器是工業機器人核心部件。精確、穩定的嚴苛要求，攔住了我國大部分企業向觸覺感測器邁進的步伐，目前國內感測器企業大多從事氣體、溫度等類型感測器的生產。在一個有著100多家企業的行業中，幾乎沒有感測器製造商進行觸覺感測器的生產。日本陣列式感測器能在10厘米×10厘米大小的基質中分佈100個敏感元件，售價10萬元，而國內產品多為一點式，一般100元一個。

 

06真空蒸鍍機

 

OLED面板製程的「心臟」。日本Canon Tokki獨佔高端市場，掌握著該產業的咽喉。業界對它的年產量預測通常在幾台到十幾台之間。有錢也買不到，說的就是它。Canon Tokki能把有機發光材料蒸鍍到基板上的誤差控制在5微米內（1微米相當於頭髮直徑的1％），沒有其他公司的蒸鍍機能達到這個精準度。目前我國還沒有生產蒸鍍機的企業，在這個領域我們沒什麼發言權。

 

07手機射頻器件

 

一塊手機的主板上，1/3的空間是射頻電路。手機發展趨勢是更輕薄，功耗更小，頻段更多，帶寬更大，這就向射頻晶元提出了挑戰。射頻晶元將數字信號轉化成電磁波，4G手機要支持十幾個頻段，信息帶寬幾十兆。

 

2018年，射頻晶元市場150億美元；高端市場基本被Skyworks、Qorvo和 博通3家壟斷，高通也佔一席之地。射頻器件的另一個關鍵元件——濾波器，國內外差距更大。手機使用的高端濾波器，幾十億美元的市場，完全歸屬Qorvo等國外射頻器件巨頭。中國是世界最大的手機生產國，但造不了高端的手機射頻器件。這需要材料、工藝和設計經驗的踏實積累。

 

08iCLIP技術

 

iCLIP是一種新興的實驗技術，是研發創新葯的最關鍵的技術之一。它的發明，讓人們拋棄精密的觀測儀器，也能確定RNA（核糖核酸）和蛋白質在哪個位置「交匯」，甚至可以讀出位點「密碼」。iCLIP技術難，猶如萬千人海中找一個人，要從幾十億個鹼基對找到一個或幾個確定的結合點，精確度可想而知。國外研究團隊已在此領域展開「技術競賽」，研究論文以幾個月為周期輪番上演。國內實驗室卻極少有成熟經驗。

 

09重型燃氣輪機

 

燃氣輪機廣泛應用於艦船、火車和大型電站。我國具備輕型燃機自主化能力；但重燃仍基本依賴引進。國際上大的重燃廠家，主要是美國GE、日本三菱、德國西門子、義大利安薩爾多4家。與中國合作都附帶苛刻條件：設計技術不轉讓，核心的熱端部件製造技術也不轉讓，僅以許可證方式許可本土製造非核心部件。沒有自主化能力，意味著我國能源安全的重要一環，仍然受制於人，存在被「卡脖子」的風險。

 

10激光雷達

 

激光雷達是個感測器，自帶光源，主動發出激光，感知周圍環境，像蝙蝠通過超聲波定位一樣。它是自動駕駛汽車的必備組件，決定著自動駕駛行業的進化水平。但在該領域，國貨幾乎沒有話語權。目前能上路的自動駕駛汽車中，凡涉及激光雷達者，使用的幾乎都是美國Velodyne的產品，其激光雷達產品是行業標配，佔八成以上市場份額。

 

11適航標準

 

一款航空發動機要想獲取一張放飛證，必須經過一套非常嚴格的「適航」標準體系驗證，涵蓋設計、製造、驗證和管理。但目前在國際上，以FAA和歐洲航空安全局（EASA）的適航審定影響力最大，認可度最高。儘管在規章要求層面，中國與FAA基本一致，但由於國產航空發動機型號匱乏，缺乏實際工程實踐經驗，使我國適航規章缺少相應的技術支撐。實際型號的適航驗證工作，成為被卡在別國空域之外的關隘。

 

12高端電容電阻

 

電容和電阻是電子工業的黃金配角。中國是最大的基礎電子元件市場，一年消耗的電阻和電容，數以萬億計。但最好的消費級電容和電阻，來自日本。電容市場一年200多億美元，電阻也有百億美元量級。所謂高端的電容電阻，最重要的是同一個批次應該盡量一致。日本這方面做得最好，國內企業差距大。國內企業的產品多屬於中低端，在工藝、材料、質量管控上，相對薄弱。

 

13核心工業軟體

 

中國的核心工業軟體領域，基本還是「無人區」。工業軟體缺位，為智能製造帶來了麻煩。工業系統複雜到一定程度，就需要以計算機輔助的工業軟體來替代人腦計算。譬如，晶元設計生產「必備神器」EDA工業軟體，國產EDA與美國主流EDA工具相較，設計原理上並無差異，但軟體性能卻存在不小差距，主要表現在對先進技術和工藝支持不足，和國外先進EDA工具之間存在「代差」。國外EDA三大巨頭公司Cadence、Synopsys及Mentor，佔據了全球該行業每年總收入的70%。發展自主工業操作系統+自主工業軟體體系，刻不容緩。

 

14ITO靶材

 

ITO靶材不僅用於製作液晶顯示器、平板顯示器、等離子顯示器、觸摸屏、電子紙、有機發光二極體，還用於太陽能電池和抗靜電鍍膜、EMI屏蔽的透明傳導鍍膜等，在全球擁有廣泛的市場。ITO膜的厚度因功能需求而有不同，一般在30納米至200納米。

 

在尺寸的問題上，國內ITO靶材企業一直鮮有突破，而後端的平板顯示製造企業也要仰人鼻息。燒結大尺寸ITO靶材，需要有大型的燒結爐。國外可以做寬1200毫米、長近3000毫米的單塊靶材，國內只能製造不超過800毫米寬的。產出效率方面，日式裝備月產量可達30噸至50噸，我們年產量只有30噸——而進口一台設備價格要花一千萬元，這對國內小企業來說無異於天價。

 

每年我國ITO靶材消耗量超過1千噸，一半左右靠進口，用於生產高端產品。

 

15核心演演算法

 

中國已經連續5年成為世界第一大機器人應用市場，但高端機器人仍然依賴於進口。由於沒有掌握核心演演算法，國產工業機器人穩定性、故障率、易用性等關鍵指標遠不如工業機器人「四大家族」發那科（日本）、ABB（瑞士）、安川（日本）、庫卡（德國）的產品。核心演演算法差距過大，導致國產機器人穩定性不佳，故障率居高不下。演演算法的差距不只體現在核心控制器上，更拖慢了伺服系統響應的速度。

 

機器人每完成一個動作，需要核心控制器、伺服驅動器和伺服電機協同作戰。對於單台伺服系統，國產機器人動態與靜態精度都很高，但高端機器人一般同時有6台以上伺服系統，用傳統的控制方法難以取得好的控制效果。

 

16航空鋼材

 

無論起飛還是降落，起落架都是支撐飛機的唯一部件，尤其是在飛機降落階段，其承載的載荷不僅僅來自機身重量，還有飛機垂直方向的巨大衝力。因此，起落架的材料強度必須十分優異，只能依靠特種鋼材才行。

 

目前使用範圍最廣的是美國的300M鋼，該材料採用真空熱處理技術，避免了滲氫，零件表面光亮，無氧化脫碳、增碳和晶界氧化等缺陷，提高了表面質量。而國內用於製作起落架的國產超強度鋼材有時會出現點狀缺陷、硫化物夾雜、粗晶、內部裂紋、熱處理滲氫等問題，這些問題都與冶鍊過程中純凈度不夠有關係。所以我國在高純度熔煉技術方面與美國還有較大差距，存在很大提升空間。

 

17銑刀

 

隨著我國近年來高鐵的迅猛建設，鋼軌養護問題也愈加讓業內專家憂心。若養護不到位，不僅折損生命周期，還存在高風險隱患。我國自主創新研發的雙動力電驅銑磨維護機器人裝備——被稱為鋼軌『急救車』的銑磨車可為鋼軌「保駕護航」。但銑磨車最核心部件銑刀仍需從國外進口。銑刀的材料是一種超硬合金材料。對其中金屬成分我們已然了解，但就是不知人家是怎麼配比、合成的，如同琢磨某種中藥的祖傳秘方、各種藥材比例是多少，都不甚明了。

 

18高端軸承鋼

 

作為機械設備中不可或缺的核心零部件，軸承支撐機械旋轉體，降低其摩擦係數，並保證其迴轉精度。無論飛機、汽車、高鐵，還是高精密機床、儀器儀錶，都需要軸承。這就對其精度、性能、壽命和可靠性提出了高要求。而我國的制軸工藝已經接近世界頂尖水平，但材質——也就是高端軸承用鋼幾乎全部依賴進口。

 

高端軸承用鋼的研發、製造與銷售基本上被世界軸承巨頭美國鐵姆肯、瑞典SKF所壟斷。前幾年，他們分別在山東煙台、濟南建立基地，採購中國的低端材質，運用他們的核心技術做成高端軸承，以十倍的價格賣給中國市場。鍊鋼過程中加入稀土，就能使原本優質的鋼變得更加「堅強」。但怎麼加，這是世界軸承巨頭們的核心秘密。

 

19高壓柱塞泵

 

液壓系統是裝備製造業的關鍵部件之一，一切工程領域，凡是有機械設備的場合，都離不開液壓系統。高壓柱塞泵是高端液壓裝備的核心元件，被稱作液壓系統的「心臟」。中國液壓工業的規模在2017年已經成為世界第二，但產業大而不強，尤其是額定壓力35MPa以上高壓柱塞泵，90%以上依賴進口。國內生產的液壓柱塞泵與外國品牌相比，在技術先進性、工作可靠性、使用壽命、變數機構控制功能和動靜態性能指標上都有較大差距，基本相當於國外上世紀90年代初水平。

 

20航空設計軟體

 

自上世紀80年代后，世界航空業就邁入數字化設計的新階段，現在已經達到離開軟體就無法設計的高度依賴程度。設計一架飛機至少需要十幾種專業軟體，全是歐美國家產品。國內設計單位不僅要投入巨資購買軟體，而且頭戴鋼圈，一旦被念「緊箍咒」，整個航空產業將陷入癱瘓。

 

據媒體報道，設計殲-10飛機時，主起落架主承力結構的整個金屬部件是委託國外製造。但造完之後，起落架的收放出現問題，有5毫米的誤差，只好重新訂貨製造。僅僅是這一點點的誤差，影響了殲-10首飛推遲了八九個月。沒有全數字化的軟體支撐，任何一點細微的誤差，都可能成為製造業的夢魘。

 

21光刻膠

 

 

我國雖然已成為世界半導體生產大國，但面板產業整體產業鏈仍較為落後。目前，LCD用光刻膠幾乎全部依賴進口，核心技術至今被TOK、JSR、住友化學、信越化學等日本企業所壟斷。就拿在國際上具有一定競爭實力的京東方來說，目前已建立17個面板顯示生產基地，其中有16個已經投產。但京東方用於高端面板的光刻膠，仍然由國外企業提供。

 

光刻膠主要成分有高分子樹脂、色漿、單體、感光引發劑、溶劑以及添加劑，開發所涉及的技術難題眾多，需從低聚物結構設計和篩選、合成工藝的確定和優化、活性單體的篩選和控制、色漿細度控制和穩定、產品配方設計和優化、產品生產工藝優化和穩定、最終使用條件匹配和寬容度調整等方面進行調整。因此，要自主研發生產，技術難度非常之高。

 

22高壓共軌系統

 

電控柴油高壓共軌系統相當於柴油發動機的「心臟」和「大腦」，其品質的好壞，嚴重影響發動機的使用。柴油機產業是推動一個國家經濟增長、社會運行的重要裝備基礎。中國是全球柴油發動機的主要市場和生產國家，而在國內的電控柴油機高壓共軌系統市場，德國、美國和日本等企業佔據了絕大份額。和國外先進公司的產品相比，國產高壓共軌系統在性能、功能、質量及一致性上還存在一定的差距，成本上的優勢也不明顯。

 

23透射式電鏡

 

冷凍電鏡可以拍攝微觀結構高清3d「彩照」，是生命科學研究的利器，透射式電鏡的生產能力是冷凍電鏡製造能力的基礎之一。目前世界上生產透射電鏡的廠商只有3家，分別是日本電子、日立、FEI，國內沒有一家企業生產透射式電鏡。匹配冷凍電鏡使用的工具都需要原裝，零件壞了找不到人修理，只能等待零件郵寄到貨後進行更換。對於中國的冷凍電鏡使用者們來說，這樣的體驗可能還要持續不短的時間。

 

24掘進機主軸承

 

主軸承，有全斷面隧道掘進機的「心臟」之稱，承擔著掘進機運轉過程的主要載荷，是刀盤驅動系統的關鍵部件，工作所處狀況十分惡劣。與直徑僅有幾百毫米的傳統滾動軸承相比，掘進機主軸承直徑一般為幾米，是結構最複雜的一種軸承，製造需要上百道工序。就掘進機整機製造能力而言，國產掘進機已接近世界最先進水平，但最關鍵的主軸承全部依賴進口。德國的羅特艾德、IMO、FAG和瑞典的SKF佔據市場。

 

25微球

 

微球，直徑是頭髮粗細的三十分之一。手機屏幕里，每平方毫米要用一百個微球，撐起了兩塊玻璃面板，相當於骨架，在兩塊玻璃面板的縫隙里，再灌進液晶。少了它，你正盯著的液晶屏幕將無法生產。沒有微球，晶元生產、食品安全檢測、疾病診斷、生物製藥、環境監測……

 

許多行業都會陷入窘境。僅微電子領域，中國每年就要進口價值幾百億元人民幣的微球。2017年中國大陸的液晶面板出貨量達到全球的33%，產業規模約千億美元，位居全球第一。但這面板中的關鍵材料——間隔物微球，以及導電金球，全世界只有日本一兩家公司可以提供。這些材料也像晶元一樣，給人卡住了脖子。

 

26水下連接器

 

除了船舶、遙感衛星，海底觀測網已成為第三種海洋觀測平台——通過它，人類可以深入到水下觀測和認識海洋。如果將各類纜系觀測平台比作胳膊、腿，水下連接器就好比關節，對海底觀測網系統的建設、運行和維護有著不可替代的作用。目前我國水下連接器市場基本被外國壟斷。一旦該連接器成為禁運品，整個海底觀測網的建設和運行將被迫中斷。

 

27燃料電池關鍵材料

 

國外的燃料電池車已實現量產，但我國車用燃料電池還處在技術驗證階段。我國車用燃料電池的現狀是——幾乎無部件生產商，無車用電堆生產公司，只有極少量商業運行燃料電池車。多項關鍵材料，決定著燃料電池的壽命和性能。這些材料我國並非完全沒有，有些實驗室成果甚至已達到國際水平。但是，沒有批量生產線，燃料電池產業鏈依然梗阻。關鍵材料長期依賴國外，一旦遭遇禁售，我國的燃料電池產業便沒有了基礎支撐。

 

28高端焊接電源

 

我國是海洋大國，擁有300多萬平方公裏海域，正在大力發展高端海洋資源開發和海洋維權裝備。海里的設備一旦出現開裂等故障，需要用有工業製造「縫紉機」之稱的焊接裝備修補。深海焊接的實現靠水下機器人。雖然我國是全球最大焊接電源製造基地，年產能已超1000萬台套，但高端焊接電源基本上仍被國外壟斷。我國水下機器人焊接技術一直難以提升，原因是高端焊接電源技術受制於人。國外焊接電源全數字化控制技術已相對成熟， 國內的仍以模擬控制技術為主。

 

29鋰電池隔膜

 

作為新能源車的「心臟」，國產鋰離子電池（以下簡稱鋰電池）目前「跳」得還不夠穩。電池四大核心材料中，正負極材料、電解液都已實現了國產化，唯獨隔膜仍是短板。高端隔膜技術具有相當高的門檻，不僅要投入巨額的資金，還需要有強大的研發和生產團隊、純熟的工藝技術和高水平的生產線。高端隔膜目前依然大量依賴進口。

 

30醫學影像設備元器件

 

目前國產醫學影像設備的大部分元器件依賴進口，至少要花10年、20年才能達到別人的現有水平。在傳統醫學成像（CT、磁共振等）上，中國最早的專利比美國平均晚20年。在專利數量上，美國是我國的10倍。這意味著整個產業已經完全掌握在國外企業的手裡了，所有的知識產權，所有的原創成果，所有的科研積累都在國外，中國只佔很少的一部分。

 

31超精密拋光工藝

 

超精密拋光工藝在現代製造業中有多重要，其應用的領域能夠直接說明問題：集成電路製造、醫療器械、汽車配件、數碼配件、精密模具、航空航天。「它是技術靈魂」。美日牢牢把握了全球市場的主動權，其材料構成和製作工藝一直是個謎。換言之，購買和使用他們的產品，並不代表可以仿製甚至複製他們的產品。

 

32環氧樹脂

 

碳纖維質量能比金屬鋁輕，但強度卻高於鋼鐵，還具有耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變等特性，其中一個關鍵的複合輔材就是環氧樹脂。但目前國內生產的高端碳纖維，所使用的環氧樹脂全部都是進口的。目前，我國已能生產T800等較高端的碳纖維，但日本東麗掌握這一技術的時間是上世紀90年代。相比於碳纖維，我國高端環氧樹脂產業落後於國際的情況更為嚴重。

 

33高強度不鏽鋼

 

用於火箭發動機的鋼材需具備多種特性，其中高強度是必須滿足的重要指標。然而，不鏽鋼的強度和防鏽性能，卻是魚和熊掌般難以兼得的矛盾體。火箭發動機材料如果如果嚴重生鏽，將帶來很大影響。完全依靠材料自身實現高強度和防鏽性能兼備，這是世界性難題。現在，我國航天材料大多用的是國外上世紀六七十年代用的材料，發達國家在生產過程中會嚴格控制雜質含量，如果純度不達標，便重新回爐，但國內廠家往往缺乏這種嚴謹的態度。

 

34資料庫管理系統

 

目前全世界最流行的兩種資料庫管理系統是Oracle和MySQL，都是甲骨文公司旗下的產品。競爭者還有IBM公司以及微軟公司的產品等。甲骨文、IBM、微軟和Teradata幾家美國公司，佔了大部分市場份額。資料庫管理系統國貨也有市場份額，但只是個零頭，其穩定性、性能都無法讓市場信服，銀行、電信、電力等要求極端穩妥的企業，不會考慮國貨。

 

35掃描電鏡

 

 

掃描電子顯微鏡，一種高端的電子光學儀器，它被廣泛地應用於材料、生物、醫學、冶金、化學和半導體等各個研究領域和工業部門，被稱為「微觀相機」目前我國科研與工業部門所用的掃描電鏡嚴重依賴進口，每年我國花費超過1億美元採購的幾百台掃描電鏡中，主要產自美、日、德和捷克等國。國產掃描電鏡只佔約5%—10%。

 

結論與啟示

 

任正非曾經接受採訪時說，他不太認同「自主創新」的說法，為什麼呢？

 

這是因為現代科技、工業的發展，既離不開不同國家不同公司技術、產品上的相互合作，也離不開發達國家所構建的這一套知識體系。如果我們把自主創新理解成完全要自己干，要構建起來自己的一套體系，這顯然是違背人類社會發展規律的。

 

現在，我們話語體系中「與世界接軌」似乎已成為某種與「自信」相悖的標籤。以高鐵為例，就是全面和世界接軌的最成功案例，中國高鐵從技術到標準、從製造到運營都和現有的世界工業體系接軌。

 

如果我們總是強調自主創新而極少提及和世界接軌，一方面會混淆中國經濟發展的內在邏輯，一方面也會阻礙我們今後的發展。

 

現在美國以及部分西方國家感受到競爭壓力，設置障礙不想讓我們接軌，如果我們也不是最大可能的爭取和世界經濟體系接軌，認為可以建立自己完全不同的工業化發展體系，可以繞開西方几百年來摸索出來的這套發展規律，那麼中國工業化的道路就有再次停滯甚至倒退的風險。